Тэорыі пра існаванне антыматэрыі
Антыматэрыя — адна з самых цікавых канцэпцый у сучаснай фізіцы, бо яна гучыць як «блізнюк» вядомай нам матэрыі, але з супрацьлеглымі ўласцівасцямі. У папулярнай фантазіі антыматэрыя часта малюецца як звышпаліва або нешта небяспечнае, бо яна можа «выбухнуць» пры кантакце з матэрыяй. Аднак, акрамя навукова-фантастычнага апавядання, антыматэрыя — гэта рэальная фізічная сутнасць, якую назіраюць, вырабляюць і вывучаюць у лабараторыі. Вялікае пытанне: калі антыматэрыя павінна існаваць у параўнальных колькасцях з матэрыяй, чаму Сусвет, які мы бачым, амаль цалкам складаецца з матэрыі?
Разуменне антыматэрыі і паходжанне канцэпцыі
У фізіцы элементарных часціц кожная элементарная часціца звычайна мае свой аналаг-антычасціцу. Антычасціцы маюць такую ж масу, як і іх аналаг, але супрацьлеглы электрычны зарад і некалькі іншых квантавых лікаў. Найпрасцейшым прыкладам з'яўляецца адмоўна зараджаны электрон, а яго аналагам-антычасціцай з'яўляецца дадатна зараджаны пазітрон. Падобным чынам, пратоны маюць антыпратоны, нейтроны — антынейтроны і гэтак далей.
Ідэя антырэчыва ўзнікла ў выніку развіцця квантавай тэорыі і тэорыі адноснасці. У канцы 1920-х гадоў Поль Дзірак сфармуляваў ураўненне Дзірака для рэлятывісцкага апісання электронаў. Гэта ўраўненне дало матэматычнае рашэнне, якое спачатку выклікала здзіўленне: акрамя рашэння з дадатнай энергіяй існавала таксама рашэнне з «адмоўнай» энергіяй. Замест таго, каб адкінуць яго, Дзірак інтэрпрэтаваў гэтае рашэнне як указанне на існаванне іншай часціцы, падобнай да электрона, але з супрацьлеглым зарадам. Гэта прадказанне было пацверджана ў 1932 годзе, калі Карл Андэрсан адкрыў пазітрон у слядзе касмічных прамянёў. З таго часу антырэчыва стала фундаментальнай часткай фізікі элементарных часціц.
Як антыматэрыя «існуе» ў прыродзе
Тэарэтычна, антырэчыва можа існаваць праз некалькі механізмаў:
1. Парнае ўтварэнне
Дастаткова высокая энергія можа ператварыцца ў пары часціца-антычасціца. Напрыклад, фатон высокай энергіі можа стварыць электрон і пазітрон. Гэты працэс патрабуе экстрэмальных умоў, такіх як паблізу цяжкіх атамных ядраў, паблізу нейтронных зорак або пры сутыкненнях часціц высокай энергіі.
2. Касмічныя прамяні і астрафізічныя з'явы
Антырэчыва таксама ўтвараецца натуральным чынам, калі касмічныя прамяні сутыкаюцца з атмасферай або міжзоркавым рэчывам. Такім чынам, пазітроны і антыпратоны могуць быць выяўлены касмічнымі прыборамі. Аднак іх колькасць вельмі малая, хутчэй як «пыл», чым асноўны кампанент Сусвету.
3. Высокаэнергетычныя ядзерныя рэакцыі
У такіх незвычайных падзеях, як выбухі звышновых, выкіды чорных дзірак або гама-ўсплёскі, велізарныя энергіі могуць прывесці да ўзнікнення розных часціц, у тым ліку антычасціц.
Нягледзячы на тое, што антырэчыва прысутнічае ў прыродзе, яно мае тэндэнцыю хутка «знікаць» пры сустрэчы з матэрыяй і падвяргаецца анігіляцыі.
Знішчэнне: матэрыя сустракае антыматэрыю
Калі часціца сустракаецца са сваёй антычасціцай, яны могуць анігіляваць адна адну, пераўтвараючы масу ў энергію, звычайна ў выглядзе гама-фатонаў або іншых часціц. Вось чаму антырэчыва здаецца «рэдкім» у паўсядзённым жыцці: наш свет пераважна складаецца з матэрыі, таму, калі б з'явілася якая-небудзь антырэчыва, яна б хутка сутыкнулася з навакольным рэчывам.
Анігіляцыя не азначае «знікненне без следу», а хутчэй пераўтварэнне энергіі ў адпаведнасці з прынцыпам захавання энергіі і масы-энергіі Эйнштэйна (E=mc²). Менавіта гэты працэс робіць антырэчыва настолькі прывабным тэарэтычна для атрымання энергіі, але такім складаным для практычнага выкарыстання, бо яго вытворчасць і захоўванне вельмі складаныя.
Тэорыя дысбалансу матэрыі і антыматэрыі (барыённая асіметрыя)
Адно з найважнейшых пытанняў у касмалогіі: чаму ў Сусвеце пераважае матэрыя? Калі б Вялікі выбух стварыў аднолькавую колькасць матэрыі і антыматэрыі, яны павінны былі б знішчыць адна адну, пакінуўшы Сусвет, напоўнены толькі радыяцыяй. Той факт, што існуюць галактыкі, зоркі, планеты і людзі, сведчыць аб тым, што першапачаткова быў невялікі «лішак» матэрыі над антыматэрыяй.
Гэтая з'ява называецца барыённай асіметрыяй. Каб растлумачыць, чаму барыёнаў (напрыклад, пратонаў і нейтронаў) больш, чым антыбарыёнаў, фізікі звяртаюцца да ўмоў, вядомых як умовы Сахарава (1967), якія з'яўляюцца трыма ўмовамі для ўзнікнення дысбалансу матэрыі ў Сусвеце:
1. Павінен існаваць працэс, які парушае закон захавання барыённага ліку.
2. Павінна быць парушэнне сіметрыі C (зарад) і CP (зарад-цотнасць).
3. Павінна адбыцца ўмова па-за межамі цеплавой раўнавагі.
У Стандартнай мадэлі фізікі элементарных часціц парушэнне CP-палону сапраўды існуе (напрыклад, пры распадзе некаторых мезонаў), але яго велічыня, здаецца, недастатковая, каб растлумачыць дамінаванне матэрыі, якое мы назіраем. Гэта адкрывае магчымасці для новай фізікі па-за межамі Стандартнай мадэлі.
CPT-сіметрыя і фізічныя ўласцівасці антырэчыва
У рамках квантавай тэорыі поля існуе фундаментальны прынцып, які называецца CPT-сіметрыяй, што ўяўляе сабой камбінацыю трох пераўтварэнняў: C (замена часціц антычасціцамі), P (змена прасторавых каардынат на адваротнае, як у люстэрку) і T (змена кірунку часу на адваротнае). У цэлым, тэорыі, якія адпавядаюць тэорыі адноснасці і квантавай механіцы, прадказваюць захаванне CPT.
Такім чынам, антырэчыва павінна мець вельмі падобныя ўласцівасці да матэрыі, такія як такая ж маса і той жа спектр атамнай энергіі (з супрацьлеглымі знакамі зарада). Дакладныя эксперыменты, у тым ліку вымярэнні антывадароду, працягваюць правяраць, ці сапраўды антырэчыва ідэнтычнае матэрыі ва ўсіх прадказаных адносінах. Пакуль што ніякіх адрозненняў, якія парушаюць CPT, не выяўлена, але з цягам часу тэсты становяцца больш строгімі.
Антывадарод і спробы захопу антырэчыва
Адной з важных вях стала паспяховае стварэнне і захоп антывадароду, атама, які складаецца з антыпратона і пазітрона. Эксперыменты ў ЦЕРН, такія як ALPHA, паспяхова ўтрымлівалі антывадарод у магнітнай пастцы дастаткова доўга, каб вымераць яго ўласцівасці. Вымярэнне спектру антывадароду ў параўнанні са спектрам звычайнага вадароду забяспечвае высокаадчувальны спосаб праверкі фундаментальных сіметрый.
Асноўнай праблемай у даследаваннях антырэчыва з'яўляецца яго захоўванне. Антырэчыва нельга захоўваць у звычайных кантэйнерах, бо яно будзе датыкацца са сценкамі, якія складаюцца з рэчыва. Таму ў высокім вакууме і пры звышнізкіх тэмпературах выкарыстоўваюцца электрамагнітныя пасткі, каб часціцы маглі «левітаваць» без кантакту з рэчывам.
Антыматэрыя і гравітацыя: ці адно і тое ж?
Яшчэ адно цікавае пытанне: як антырэчыва рэагуе на гравітацыю? Згодна з тэорыяй агульнай адноснасці, гравітацыя залежыць ад энергіі і масы, таму антырэчыва павінна падаць уніз гэтак жа, як і матэрыя. Аднак вымераць гэта непасрэдна вельмі складана, таму што антырэчыва цяжка стварыць і ўтрымліваць.
Сучасныя эксперыменты спрабуюць вымераць паскарэнне падзення антывадароду. Калі апынецца, што антырэчыва падае інакш, гэта будзе важным адкрыццём, якое пахіснуе наша разуменне гравітацыі і сіметрыі прыроды. Але большасць асноўных тэорый не прадказваюць істотных адрозненняў; яны шукаюць толькі магчымыя невялікія адхіленні, якія маглі б адкрыць новую фізіку.
Тэорыя антыматэрыі ў касмалогіі: ці існуе «Сусвет з антыматэрыяй»?
Адна з даўніх ідэй у касмалогіі заключаецца ў магчымасці існавання вялікіх абласцей Сусвету, дзе пераважае антырэчыва, такіх як галактыкі з антырэчывам або скопішчы галактык. Калі гэта праўда, то мяжа, дзе сустракаюцца матэрыя і антырэчыва, будзе ствараць гама-прамяні, характэрныя для маштабнай анігіляцыі.
Дагэтуль астранамічныя назіранні не выявілі пераканаўчых доказаў існавання «дамена антырэчыва» на блізкіх касмалагічных адлегласцях. Вымярэнні гама-выпраменьвання і касмічных прамянёў, як правіла, паказваюць, што назіраемы Сусвет пераважна складаецца з рэчыва. Аднак пошукі працягваюцца, напрыклад, з выкарыстаннем дэтэктараў у космасе, якія шукаюць ядры антыгелію або іншыя надзвычай рэдкія цяжкія антычасціцы.
Закрыццё
Тэорыя існавання антыматэрыі — гэта не проста здагадка, а рэальная частка фізікі, праверана эксперыментамі. Антыматэрыя існуе як элегантнае наступства фундаментальных ураўненняў рэлятывісцкай квантавай механікі, даказанае адкрыццём пазітрона, утварэннем антычасціц у паскаральніках і стварэннем антывадароду. Аднак найвялікшая загадка застаецца: чаму Сусвет «выбірае» матэрыю замест антыматэрыі?
Каб адказаць на гэтае пытанне, навукоўцы правяраюць парушэнне CP-правады, дакладна параўноўваючы ўласцівасці вадароду і антывадароду, а таксама даследуючы, як антырэчыва паводзіць сябе ў гравітацыі. Кожнае ўсё больш дакладнае вымярэнне можа адкрыць дзверы да новых ведаў пра паходжанне Сусвету, яго фундаментальныя законы і, магчыма, нават фізіку па-за межамі Стандартнай мадэлі. Антырэчыва, у рэшце рэшт, — гэта не проста супрацьлегласць матэрыі, а люстэрка, якое можа паказаць, ці з'яўляецца наша разуменне прыроды поўным, ці яно ўсё яшчэ захоўвае глыбокія сакрэты.
